精密儀器設(shè)計(jì)18第七章課件

第七章精密儀器設(shè)計(jì)實(shí)例通過對便攜式近紅外光譜儀器、激光干涉測長儀*設(shè)計(jì)分析，掌握精密儀器的特點(diǎn)、要求、結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法。第七章精密儀器設(shè)計(jì)實(shí)例通過對便攜式近紅外光譜儀器、激光干內(nèi)容7.1*近紅外光譜儀器設(shè)計(jì)7.2激光干涉測長儀設(shè)計(jì)內(nèi)容7.1*近紅外光譜儀器設(shè)計(jì)7.1近紅外光譜儀器設(shè)計(jì)一、近紅外光譜儀器概述二、總體設(shè)計(jì)三、主要模塊設(shè)計(jì)7.1近紅外光譜儀器設(shè)計(jì)一、近紅外光譜儀器概述二、總體設(shè)計(jì)1、確定方案2、主要模塊二、總體設(shè)計(jì)1、確定方案1、確定方案儀器要求：便攜式，固體樣品、野外現(xiàn)場測量。主要技術(shù)指標(biāo)：

1、波長范圍：1300-2500nm2、分辨率：7-10nm3、采樣間距：2或4nm4、光譜測量時(shí)間：20-60s5、儀器重量：低于5kg6、電源：野外電池供電光源：鹵鎢燈分光：單光路光柵掃描取樣：漫反射積分球1、確定方案儀器要求：光源：鹵鎢燈系

統(tǒng)

結(jié)

構(gòu)

框

圖光源分光系統(tǒng)積分球PbS放大系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)波長掃描驅(qū)動(dòng)上層控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集樣品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖光分光積分球PbS放大單2、主要模塊設(shè)計(jì)1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、主要模塊設(shè)計(jì)1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)分光系統(tǒng)鹵鎢燈切光器光柵及兩個(gè)凹面反射鏡積分球樣品出射狹縫入射狹縫探測器透鏡聚光系統(tǒng)1、光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)分光系統(tǒng)鹵鎢燈切光器光柵及兩個(gè)積分球2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)

積分球切光器

分光系統(tǒng)積分球傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分光系統(tǒng)儀器機(jī)械布局框圖

2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)分光系統(tǒng)儀器機(jī)械布局框圖3、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀器電路框圖

光柵掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)89C2051控制系統(tǒng)MAX232/USB前放系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PbS探測器信號處理系統(tǒng)穩(wěn)速電路參考信號檢測電路調(diào)制裝置3、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀器電路框圖光柵掃描89C2051MAX24、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主機(jī)控制軟件系統(tǒng)自檢模塊啟動(dòng)自檢模塊功能自檢模塊光譜掃描模塊背景掃描白板掃描樣品掃描參數(shù)設(shè)置模塊數(shù)據(jù)處理模塊幫助模塊樣品光譜計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)用、顯示底層驅(qū)動(dòng)軟件框圖

上層控制軟件框圖

等待上層命令并喂狗接受參數(shù)N根據(jù)參數(shù)處理命令處理命令反相轉(zhuǎn)動(dòng)N納米通訊功能測試放大倍數(shù)設(shè)置采集次數(shù)設(shè)置回到光學(xué)零點(diǎn)開始采樣釋放步進(jìn)電機(jī)命令有參數(shù)？初始化切光器控制發(fā)送處理結(jié)果正相轉(zhuǎn)動(dòng)N納米YN4、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)自檢模塊啟動(dòng)自檢模塊功能自檢模塊光譜掃描三、主要模塊設(shè)計(jì)（1）分光系統(tǒng)（2）分光掃描及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（3）信號檢測控制系統(tǒng)（4）通訊及數(shù)據(jù)處理模塊三、主要模塊設(shè)計(jì)（1）分光系統(tǒng)（1）分光系統(tǒng)（1）分光系統(tǒng)（2）分光掃描及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1-螺桿2-螺母3-銷4-滑槽5-擺桿6-軸7-光柵AOBβ（2）分光掃描及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1-螺桿2-螺母3-銷（3）信號檢測控制系統(tǒng)傳感器前放鎖相放大器

A/D模塊

機(jī)片

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊塊模訊通（3）信號檢測控制系統(tǒng)傳感器前放鎖相放大器A/鎖相放大帶通濾波器信號輸入模擬移相器同步積分器脈沖產(chǎn)生電路方波整形電路濾波及倒相電路電壓跟隨器PSD信號通道參考通道CBA鎖相放大帶通信號模擬同步脈沖產(chǎn)生電路方波整形電路濾波及倒相電測控電路USB接口模擬信號USB接口芯片PDIUSBD12單片機(jī)AT89S52AD7715MC1413上位機(jī)步進(jìn)電機(jī)測控電路USB模擬信號USB接口芯片單片機(jī)AD7715MC1（4）通訊及數(shù)據(jù)處理模塊（4）通訊及數(shù)據(jù)處理模塊精密儀器設(shè)計(jì)18第七章課件掃描型近紅外光譜儀設(shè)計(jì)注意問題光學(xué)系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)：

掃描機(jī)構(gòu)——

切光器——電路系統(tǒng)：

分光的范圍與分辨率波長的準(zhǔn)確性

檢測信號的頻率、參考信號的占空比。信號的穩(wěn)定——光源、傳感器線性——放大電路起始位置定位（機(jī)械零點(diǎn)）；電機(jī)的角度與波長的線性關(guān)系（步距當(dāng)量）；掃描型近紅外光譜儀設(shè)計(jì)注意問題光學(xué)系統(tǒng)：近紅外光譜分析儀器的研制采取系列措施：

傳感器穩(wěn)壓加制冷、光源穩(wěn)流、調(diào)制信號穩(wěn)壓、分時(shí)控制、信號調(diào)理方法改進(jìn)，提高自制儀器的穩(wěn)定性、分辨率，降低功耗。PISA-2PISA-4近紅外光譜分析儀器的研制采取系列措施：PISA-2PISA-PISA-4PISA-4PISA系列儀器PISA_MPISA_SFPISA_CFPISA_OUPISA_RCPISA_ASPISA系列儀器PI穩(wěn)定性PISA-2PISA-4PISA-2PISA-42.82%0.98%儀器參數(shù)光譜范圍：1200-2500nm采樣間隔：4nm樣品：高嶺石固體取樣方式：積分球穩(wěn)定性PISA-2PISA-4PISA-2PISA-42.8分辨率PISA-2PISA-4小于16nm（@1400nm）分辨率PISA-2PISA-4小于16nm（@1400nm）測量對比便攜式近紅外光譜分析儀南京中地：BJKF-1自制PISA-2：光譜范圍1200-2500nm

采樣間隔4nm自制PISA-4：光譜范圍1200-2500nm

采樣間隔4nm南京中地（BJKF-1）光譜范圍1300-2500nm

采樣間隔2nm樣品：滑石粉末PISA-2PISA-4測量對比便攜式近紅外光譜分析儀南京中地：BJKF-1自制P分辨率小于24nm（@2300nm）分辨率小于24nm（@2300nm）與國內(nèi)外儀器對比對比結(jié)果表明：PISA-4的儀器性能指標(biāo)，尤其是分辨率，達(dá)到國內(nèi)外同類儀器產(chǎn)品的水平。與國內(nèi)外儀器對比對比結(jié)果表明：四、思考（1）便攜式儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是什么？（2）如何解決微型精密儀器的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊與高精度的矛盾？四、思考（1）便攜式儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是什么？第七章精密儀器設(shè)計(jì)實(shí)例通過對便攜式近紅外光譜儀器、激光干涉測長儀*設(shè)計(jì)分析，掌握精密儀器的特點(diǎn)、要求、結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法。第七章精密儀器設(shè)計(jì)實(shí)例通過對便攜式近紅外光譜儀器、激光干內(nèi)容7.1*近紅外光譜儀器設(shè)計(jì)7.2激光干涉測長儀設(shè)計(jì)內(nèi)容7.1*近紅外光譜儀器設(shè)計(jì)7.1近紅外光譜儀器設(shè)計(jì)一、近紅外光譜儀器概述二、總體設(shè)計(jì)三、主要模塊設(shè)計(jì)7.1近紅外光譜儀器設(shè)計(jì)一、近紅外光譜儀器概述二、總體設(shè)計(jì)1、確定方案2、主要模塊二、總體設(shè)計(jì)1、確定方案1、確定方案儀器要求：便攜式，固體樣品、野外現(xiàn)場測量。主要技術(shù)指標(biāo)：

1、波長范圍：1300-2500nm2、分辨率：7-10nm3、采樣間距：2或4nm4、光譜測量時(shí)間：20-60s5、儀器重量：低于5kg6、電源：野外電池供電光源：鹵鎢燈分光：單光路光柵掃描取樣：漫反射積分球1、確定方案儀器要求：光源：鹵鎢燈系

統(tǒng)

結(jié)

構(gòu)

框

圖光源分光系統(tǒng)積分球PbS放大系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)波長掃描驅(qū)動(dòng)上層控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集樣品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖光分光積分球PbS放大單2、主要模塊設(shè)計(jì)1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、主要模塊設(shè)計(jì)1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)分光系統(tǒng)鹵鎢燈切光器光柵及兩個(gè)凹面反射鏡積分球樣品出射狹縫入射狹縫探測器透鏡聚光系統(tǒng)1、光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)分光系統(tǒng)鹵鎢燈切光器光柵及兩個(gè)積分球2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)

積分球切光器

分光系統(tǒng)積分球傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分光系統(tǒng)儀器機(jī)械布局框圖

2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)分光系統(tǒng)儀器機(jī)械布局框圖3、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀器電路框圖

光柵掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)89C2051控制系統(tǒng)MAX232/USB前放系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PbS探測器信號處理系統(tǒng)穩(wěn)速電路參考信號檢測電路調(diào)制裝置3、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀器電路框圖光柵掃描89C2051MAX24、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主機(jī)控制軟件系統(tǒng)自檢模塊啟動(dòng)自檢模塊功能自檢模塊光譜掃描模塊背景掃描白板掃描樣品掃描參數(shù)設(shè)置模塊數(shù)據(jù)處理模塊幫助模塊樣品光譜計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)用、顯示底層驅(qū)動(dòng)軟件框圖

上層控制軟件框圖

等待上層命令并喂狗接受參數(shù)N根據(jù)參數(shù)處理命令處理命令反相轉(zhuǎn)動(dòng)N納米通訊功能測試放大倍數(shù)設(shè)置采集次數(shù)設(shè)置回到光學(xué)零點(diǎn)開始采樣釋放步進(jìn)電機(jī)命令有參數(shù)？初始化切光器控制發(fā)送處理結(jié)果正相轉(zhuǎn)動(dòng)N納米YN4、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)自檢模塊啟動(dòng)自檢模塊功能自檢模塊光譜掃描三、主要模塊設(shè)計(jì)（1）分光系統(tǒng)（2）分光掃描及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（3）信號檢測控制系統(tǒng)（4）通訊及數(shù)據(jù)處理模塊三、主要模塊設(shè)計(jì)（1）分光系統(tǒng)（1）分光系統(tǒng)（1）分光系統(tǒng)（2）分光掃描及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1-螺桿2-螺母3-銷4-滑槽5-擺桿6-軸7-光柵AOBβ（2）分光掃描及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1-螺桿2-螺母3-銷（3）信號檢測控制系統(tǒng)傳感器前放鎖相放大器

A/D模塊

機(jī)片

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊塊模訊通（3）信號檢測控制系統(tǒng)傳感器前放鎖相放大器A/鎖相放大帶通濾波器信號輸入模擬移相器同步積分器脈沖產(chǎn)生電路方波整形電路濾波及倒相電路電壓跟隨器PSD信號通道參考通道CBA鎖相放大帶通信號模擬同步脈沖產(chǎn)生電路方波整形電路濾波及倒相電測控電路USB接口模擬信號USB接口芯片PDIUSBD12單片機(jī)AT89S52AD7715MC1413上位機(jī)步進(jìn)電機(jī)測控電路USB模擬信號USB接口芯片單片機(jī)AD7715MC1（4）通訊及數(shù)據(jù)處理模塊（4）通訊及數(shù)據(jù)處理模塊精密儀器設(shè)計(jì)18第七章課件掃描型近紅外光譜儀設(shè)計(jì)注意問題光學(xué)系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)：

掃描機(jī)構(gòu)——

切光器——電路系統(tǒng)：

分光的范圍與分辨率波長的準(zhǔn)確性

檢測信號的頻率、參考信號的占空比。信號的穩(wěn)定——光源、傳感器線性——放大電路起始位置定位（機(jī)械零點(diǎn)）；電機(jī)的角度與波長的線性關(guān)系（步距當(dāng)量）；掃描型近紅外光譜儀設(shè)計(jì)注意問題光學(xué)系統(tǒng)：近紅外光譜分析儀器的研制采取系列措施：

傳感器穩(wěn)壓加制冷、光源穩(wěn)流、調(diào)制信號穩(wěn)壓、分時(shí)控制、信號調(diào)理方法改進(jìn)，提高自制儀器的穩(wěn)定性、分辨率，降低功耗。PISA-2PISA-4近紅外光譜分析儀器的研制采取系列措施：PISA-2PISA-PISA-4PISA-4PISA系列儀器PISA_MPISA_SFPISA_CFPISA_OUPISA_RC